电器智能化第8章.ppt

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宋建成,第8章智能电器及其应用系统设计实例,太原理工大学,第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.1低压塑壳式断路器的智能脱扣器设计8.2电能质量在线监测器8.3分布式变电站自动化系统8.4本章小结,第8章智能电器及其应用系统设计实例,传统低压断路器完成不同保护功能需要不同的脱扣器配置，并在其二次电路中使用相应功能的继电器，所以二次控制电路元件多、体积大、可靠性较差、维护工作量较大，无法实现被监控和保护对象的分布式管理。

8.1低压塑壳式断路器的智能脱扣器设计,第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.1低压塑壳式断路器的智能脱扣器设计,智能断路器是断路器本体与智能脱扣器的集成。

可配置被监控和保护对象需要的各种保护功能及每种功能的不同保护动作特性，操作人员根据现场工作要求，可以方便地通过人机交互面板进行设置，还可以与应用系统中的其他智能电器组成分布式通信网络，接受后台管理系统的监控和管理，实现真正的分布式监控和管理。

本节以一个智能低压塑壳式断路器的脱扣器为例，说明智能电器监控器的基本设计过程。

第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.1.1智能脱扣器的基本功能和设计要求,本例中设计的智能脱扣器可以与额定电压为交流220V/380V、多种电流规格的小型塑壳断路器配合，只要求两个功能：

电流保护功能简单的人机交互功能,第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.1.1智能脱扣器的基本功能和设计要求,

（1）电流保护功能,保护功能要求满足过载长延时、短路短延时、短路瞬时三段式电流保护特性。

第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.1.1智能脱扣器的基本功能和设计要求,

（2）人机交互功能,由于断路器为操作面板的安装面积、脱扣器本身的电源负载能力及成本等因素，这种人机交互功能一般：

用PID开关或拨码开关完成现场设置；通过发光二极管指示当前选择的脱扣器保护特性、脱扣器工作是否正常及故障时的故障类型。

8.1.1智能脱扣器的基本功能和设计要求,（3）脱扣器工作电源要求,一般塑壳断路器的智能脱扣器电源模块都采用电流互感器作为交流供电电源。

本例设计的脱扣器需要两种直流电源：

+5V为脱扣器中央处理与控制模块和人机交互模块电路供电；+12V为断路器脱扣的磁通变换器提供能量，并作为+5V电源的输入。

第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.1.2智能脱扣器的硬件设计,本例设计的智能脱扣器硬件包括4个模块：

电流信号检测调理模块中央处理与控制模块人机交互模块输出驱动模块和电源模块,第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.1.2智能脱扣器的硬件设计,智能脱扣器的总体结构图：

第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.1.2智能脱扣器的硬件设计,

（1）电流信号检测调理模块,电流信号检测调理模块包括信号调理电路和采样环节。

信号调理电路把电流互感器的二次输出电流变为与采样环节模拟输入端兼容的电压信号，由采样电阻、阻容滤波电路和比例放大器。

采样环节采用中央处理与控制模块选用的处理器内置器件。

第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.1.2智能脱扣器的硬件设计,

（1）电流信号检测调理模块,第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.1.2智能脱扣器的硬件设计,

（2）电源模块,电源能量直接取自一次电路中的电流互感器，脱扣器电源模块需要提供+5V和+12V两种电源。

第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.1.2智能脱扣器的硬件设计,（3）中央处理控制模块,中央处理控制模块是脱扣器完成数据处理、控制与保护及其他功能的核心，其电路结构设计和处理器件的选择是脱扣器硬件设计的关键。

本例设计中，中央处理与控制模块选择单处理器单芯片结构，处理器件选用了Microchip公司的PIC16F87A增强型Flash微控制器。

第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.1.2智能脱扣器的硬件设计,（4）输出驱动模块,输出驱动执行元件为MOSFET，脱扣器操作部件是磁通变换器。

第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.1.2智能脱扣器的硬件设计,（5）人机交互模块,人机交互面板只配置保护动作阈值的整定输入和脱扣器工作状态指示。

保护动作阈值整定输入采用拨码开关，其编码形式为“8、4、2、1”编制，可以表示从09的数字,对应不同的动作电流倍数和动作时间。

脱扣器工作状态指示采用3个LED，分别指示正常工作状态、过载长延时和短路短延时故障预警状态。

第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.1.3智能脱扣器的程序设计,程序主要功能模块包括以下4个：

初始化模块采样定时中断处理模块采样值处理模块故障处理模块,第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.1.3智能脱扣器的程序设计,程序流程图,第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.1.3智能脱扣器的程序设计,

（1）初始化模块,完成对整个硬件系统的初始化工作，包括对PIC单片机各输入/输出端口的配置和定时器工作的设置,

（2）采样定时中断处理模块,该模块的中断源是PIC单片机的定时器，完成电流采样、采样值存储和瞬动保护功能。

第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.1.3智能脱扣器的程序设计,（3）采样值处理模块,计算并存储一个电源周期中各采样点值的平方，为故障判断与处理程序模块提供需要的数据。

（4）故障处理模块,完成过载长延时和短路短延时故障处理，采用累计热效应的处理方法。

第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.2电能质量在线监测器,随着工业化进程的高速发展，越来越多的大功率、超大功率非线性负载和各类不同功率的电子设备投入使用，造成电力系统的严重污染，影响到电力用户的用电质量和用电安全。

近年来，配电网中的电能质量在线监测受到越来越多的关注，也成为智能电器研究的一个新课题。

第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.2.1电能质量在线监测器的设计要求,1、基本功能,根据有关电能质量的概念，电能质量在线监测器应当具有如下6个功能：

（1）三相电压、电流的实时监测

（2）实现事件记录、故障报警和故障波形跟踪记忆功能（3）分析监测结果，提取电能质量评估信息，为用户提供决策（4）具有开关输入/输出能力，实现各种开关控制功能（5）通过通信网络传送监测到的工作现场电能质量信息（6）就地实时显示监测和分析结果,第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.2.1电能质量在线监测器的设计要求,2.监测器的技术要求,本例中的监测器主要技术要求如下：

（1）为满足实时性需求，必须具备高速的运行速度

（2）为支持大计算量和复杂算法，必须具备较强大的数字信号处理能力（3）装置功能覆盖了从底层任务执行到高层应用，需要足够的硬件资源（4）具备远程通信能力（5）具有键盘输入和信息显示能力,第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.2.2电能质量在线监测器的硬件设计,1.监测器硬件的结构设计,硬件的整体结构采用按功能划分模块，各模块相对独立的设计原则。

监测器硬件分为：

模拟量输入通道数据处理与控制开关量输出人机交互（含液晶显示与键盘）通信电源,第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.2.2电能质量在线监测器的硬件设计,监测器硬件结构图：

第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.2.2电能质量在线监测器的硬件设计,2.各模块的功能和设计,

（1）数据处理与控制模块用于完成对各种模拟量的采集控制、计算、显示和通信等功能。

处理器件选用高速数字信号处理器TMS320LF2407A。

（2）模拟量输入通道实现电能质量监测器的电压和电流信号的采集功能。

这里选择MAX1258路14位A/D转换器。

（3）开关量输入输出模块主要通过DSP的I/O实现。

第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.2.2电能质量在线监测器的硬件设计,2.各模块的功能和设计,（4）通信模块本例设计的监测器用于配电系统，要求具备RS-422接口，通信协议暂时采用自定义协议。

（5）人机交互模块显示器采用12864的图形点阵式LCD，键盘为33布置，通过软件实现菜单式的人机交互模式。

（6）其他硬件资源配置包括系统监控复位、实时时钟、非易失性RAM或可在线读/写的串行EEPROM，以及3216KB以上的ROM和3216KB以上的RAM。

第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.2.3电能质量在线监测器的软件设计,本例选择了嵌入式系统软件的设计模式，即基于实时多任务操作系统的设计思想进行软件开发。

考虑到本例中监测器的硬件配置、使用的处理器件性能及设计成本等因素，选择源代码开放的C/OS-作为电能质量监测器软件的开发和运行平台。

第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.2.3电能质量在线监测器的软件设计,1.实时多任务操作系统的设计,

（1）裁减裁减的目的是在满足功能要求的前提下，减少C/OS-占用的CPU和存储资源。

删除C/OS-源码中监测器不用的变量和函数，已经相关函数中不用的语句。

减少任务切换的状态数目。

减少C/OS-的程序、数据和堆栈占用的内存空间，将其可调度的任务数压缩到16个，以便节省C/OS-自身运行时占用的硬件资源。

第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.2.3电能质量在线监测器的软件设计,1.实时多任务操作系统的设计,

（2）移植移植就是使C/OS-的实时内核能在某个微处理器或微控制器上运行。

本例中的电能质量监测器选用了DSPTMS320LF2407芯片，支持定时中断，支持C语言、C语言和汇编语言混合编程，有将堆栈指针和其他寄存器读出和存储到堆栈或内存中的指令，具有移植条件。

TI公司的C语言编译器CC2000支持产生可重入代码，并且可在C语言中嵌入开/关中断命令，可以进行代码移植。

第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.2.3电能质量在线监测器的软件设计,2.任务的划分与优先级的确定,任务是RTOS调度的单位。

在应用RTOS作为操作平台的软件中，必须按软件完成的功能将程序划分为相应的模块，每个功能模块作为一个任务。

在本例的软件设计中，根据程序实现的功能划分了8个任务。

第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.2.3电能质量在线监测器的软件设计,2.任务的划分与优先级的确定,第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.2.3电能质量在线监测器的软件设计,3.软件整体结构,第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.2.3电能质量在线监测器的软件设计,3.软件整体结构,第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.2.3电能质量在线监测器的软件设计,3.软件整体结构,第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.3分布式变电站自动化系统,现代变电站自动化系统中大量应用智能电器及开关设备，通过其监控器使得原来需要在后台管理系统中集中完成的任务，分散在底层的智能电器中直接处理，极大的提高了执行效率。

具有上述特征的变电站自动化系统称为分布式变电站自动化系统。

第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.3.1分布式变电站自动化系统概述,在传统的自动化变电站中，设备占地面积大、系统接线复杂、可靠性低、维护十分困难、二次设备间的信息交换和通信能力差，不能与上级管理系统直接交换信息。

分布式变电站自动化系统采用各种不同功能的智能电器作为现场设备，将传统变电站的功能配置到基层间隔或现场设备。

其功能包括了现场监测与控制、继电保护、远动控制和数据通信等多个方面。

第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.3.1分布式变电站自动化系统概述,本节以一个实际的分布式变电站自动化系统的设计为例，说明其功能要求和整体结构设计，着重讨论后台管理系统软件的功能划分、数据管理、组态功能、双机冗余等关键性问题。

第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.3.2系统功能的分析及整体设计,1.系统功能需求分析,根据应用要求，所设计的变电站自动化系统应当具有以下几种功能：

（1）现场数据的采集与处理

（2）实时数据维护与存储（3）监控画面设计、数据统计分析及报表（4）通信和网络功能（5）五防闭锁及操作票功能（6）电网电压和功率因数的自动调节,第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.3.2系统功能的分析及整体设计,2.设计目标的主要性能指标,第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.3.2系统功能的分析及整体设计,3.总体结构设计,通过对所设计的目标系统的功能要求和主要性能指标的分析，其整体结构确定采用分层、分布式的设计方案。

本例中设计的变电站自动化系统整体结构分为：

管理层通信层现场层（或间隔层）,第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.3.2系统功能的分析及整体设计,3.总体结构设计,第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.3.3系统后台管理软件的设计,1.软件的功能划分,

（1）基于组件技术的分布式结构分布式组件对象模型是微软公司推出的分布式组件技术，具有很高的通信和运行效率。

本例中，设计目标的后台管理软件采用DCOM作为各模块之间的接口规范；集成了多种变电站业务功能，各功能由对应的工作站来完成。

第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.3.3系统后台管理软件的设计,1.软件的功能划分,

（2）软件功能模块的划分按照程序功能及其部署上可独立的原则，本例设计目标的后台管理软件可划分为一下8个模块：

操作功能模块五防功能模块远动功能模块继电保护功能Web浏览功能模块Web服务器功能模数据库服务器功能模块前置机功能模块,第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.3.3系统后台管理软件的设计,2.实时数据管理,变电站自动化系统中通常监测大量的现场运行参量，需要处理的数据类型是多种多样的。

首先，需要对这些数据进行抽象、归类和整理；另一方面，需要利用专门的数据库管理系统来维护大量的各种数据。

第8章智能电器及其应用系统设计实例,

（1）数据抽象与类型定义所设计系统的主要任务是完成四遥功能：

遥测、遥信、遥调、遥控，可将数据对象分为：

遥信量（CVarDigital）遥测量模拟量（CVarAnalog）累计量（CVarAccumulate）遥控量（COperate）遥调量（CVarSimpleFloat）,8.3.3系统后台管理软件的设计,2.实时数据管理,第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.3.3系统后台管理软件的设计,2.实时数据管理,

（1）数据抽象与类型定义,第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.3.3系统后台管理软件的设计,2.实时数据管理,

（2）实时数据管理组件实时数据库系统（Real-TimeDataBaseManagementSystem，RTDBMS）是其事务和数据都具有定时的特性或显示的定时限制的数据库系统。

本例后台管理软件借鉴RTDBMS的设计思想，在前置机模块中实现了一个驻留内存的实时数据管理组件，以满足变电站自动化系统的高速数据访问和并发控制的要求。

该组件分为三个部分：

数据管理、事务管理和应用程序接口。

第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.3.3系统后台管理软件的设计,2.实时数据管理,

（2）实时数据管理组件,第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.3.3系统后台管理软件的设计,3.组态功能,在变电站自动化后台管理软件中，应提供软件组态功能，使系统具有更好的灵活性。

本例系统中的组态功能分为三个方面：

（1）图形组态

（2）协议组态（3）虚拟量组态,第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.3.3系统后台管理软件的设计,4.双机冗余互备,可靠性是衡量变电站自动化系统的重要指标。

为了提高可靠性，在一些关键模块，如前置机、数据库服务器等，需要实现冗余互备。

常用方案：

采用纯硬件方式，在操作系统级实现冗余互备；采用一般商用计算机，利用自定义的实时网络通信协议，实现冗余互备。

本例采用后一种设计方法。

第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.3.3系统后台管理软件的设计,4.双机冗余互备,在设计中，根据变电站的配置规模，前置机为独立配置的PC，为工作站提供实时数据服务，因此需要解决两个关键性问题：

工作/备用机切换协议工作/备用机数据同步,第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.3.3系统后台管理软件的设计,4.双机冗余互备,

（1）工作/备用机切换协议该模型中涉及了三个通信主体：

工作机、备用机和客户端（访问实时数据的工作站）。

其实现如下图：

第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.3.3系统后台管理软件的设计,4.双机冗余互备,

（2）工作/备用机数据同步在本例设计中，工作/备用机数据同步采用如下策略：

备用机启动后，主动与工作机建立永久性通信连接，向工作机发出访问数据的请求，取得当前数据。

工作机数据发生变化时，自动将更新的数据推送到备用机。

工作机从故障中恢复后，即时把备用机在主机故障期间获得的新数据（增量）更新到主机上，二者数据同步后，主机恢复工作。

第8章智能电器及其应用系统设计实例,8.4本章小结,本章选择了三种不同复杂程度的电器智能化装置和系统进行介绍，从需求分析出发，分别介绍了系统组成结构、硬件和软件的设计过程。

目的是使初学者了解智能脱扣器、电能质量监测器、变电站自动化系统等智能电器装置或系统的工作特点和结构特征，以及初步掌握其开发、设计的一般过程和方法。

第8章智能电器及其应用系统设计实例,